自由電子激光器（FEL），所產生激光束的光學性質與傳統激光器一樣，具有高度相干、高能量的特點，其不同點在于其特殊的光源產生機制。傳統利用氣體、液體或固體（如半導體激光器）作為激光介質的激光器，其激光產生會使原本處于束縛態的原子或分子受到激發；對于FEL，激光產生則依靠將在磁場中運動的相對論電子束的動能轉換為光子能量。由于電子束可以在磁場中自由移動，故命名為“自由電子激光器”。激光產生過程中沒有傳統意義上的介質，不需要實現粒子數反轉，因此，這種激光不依賴于受激發射。自由電子激光器的核心是電子源（通常是粒子加速器）與相互作用區（把電子動能轉換為光子能量）。
產生機制
       為了產生自由電子激光，一束電子被加速至接近光速（相對論速度）。之后，電子束通過由周期性橫向磁場（通過在光腔中設置與電子束行進方向成變化夾角的磁體產生）構成的自由電子振蕩器。產生周期性磁場的磁體陣列又被稱為“波蕩器(undulator)”或“搖擺體(wiggler)”，這是因為它們會作用于電子束使之形成正弦形狀的路徑。在此路徑上對電子進行加速會使之發射光子（同步輻射）。由于電子周期運動與已發射光場同相，得到的是相干疊加的光場，即自由電子激光。所發射的光波長可以通過改變電子束能量或波蕩器的磁場強度進行調節。




發展現狀
       因為自由電子激光器中的電子需要具有相對論速度，產生這樣速度的電子通常是極為復雜的事情。除此以外，電子的同步質量要好，這使得當前的自由電子激光器復雜而昂貴，解決方案之一便是集成到現有設備中來（如位于漢堡的DESY(德國電子加速器)）。截至2006年，全球共有21臺自由電子激光器，另有15臺在建或計劃建造。盡管自由電子激光涵蓋全部光譜范圍，具體使用則是針對某一特定頻率范圍。例如，位于杜布納粒子物理實驗室的FEL工作于毫米波段，漢堡的FLASH工作于深紫外段（6-30nm）。當前最短工作波長（0.06nm）的FEL則位于日本兵庫縣的SACLA。未來的FEL（如同樣建造于漢堡DESY的歐洲X射線自由電子激光器）將會包括X射線，涵蓋0.05nm范圍。這樣的FEL稱為X射線自由電子激光器。